(57)【要約】【課題】本発明は、高出力用途に好適なレーザ素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係るレーザ素子は、基板と、該基板の上に形成された下部クラッド層と、該下部クラッド層の上に形成された活性層と、該活性層の上に形成された上部クラッド層と、該活性層の上方の層に１００μｍ×１００μｍ以上の大きさで形成された、該活性層で発生した光を該上部クラッド層の上方に回折する２次の回折格子と、該下部クラッド層、該活性層、及び該上部クラッド層を有する共振器の第１端面に形成された、該活性層で発生した光を反射する第１反射膜と、該共振器の該第１端面と反対側の端面である第２端面に形成された、該活性層で発生した光を反射する第２反射膜と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成された上部クラッド層と、
前記活性層の上方の層に１００μｍ×１００μｍ以上の大きさで形成された、前記活性層で発生した光を前記上部クラッド層の上方に回折する２次の回折格子と、
前記下部クラッド層、前記活性層、及び前記上部クラッド層を有する共振器の第１端面に形成された、前記活性層で発生した光を反射する第１反射膜と、
前記共振器の前記第１端面と反対側の端面である第２端面に形成された、前記活性層で発生した光を反射する第２反射膜と、
を備えたことを特徴とするレーザ素子。
【請求項２】
前記第１反射膜と前記第２反射膜は、前記活性層で発生した光を１００％反射するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
【請求項３】
前記２次の回折格子の前記共振器長手方向の長さと、前記共振器短手方向の長さは等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ素子。
【請求項４】
前記活性層の上方の層に、前記２次の回折格子とは異なる周期で１００μｍ×１００μｍ以上の大きさを有するように形成された、前記活性層で発生した光を前記上部クラッド層の上方に回折する第２回折格子を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ素子。
【請求項５】
前記第２反射膜は、前記活性層で発生した光を反射しつつ、外部からの光は透過するハーフミラーコートで形成されたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
【請求項６】
前記基板又は前記下部クラッド層に形成された光反射層を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ素子。
【請求項７】
前記光反射層は前記基板の裏面に形成され、
前記基板は、前記活性層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する材料で形成されたことを特徴とする請求項６に記載のレーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、産業用機器などに用いられるレーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、２次の回折格子を備えたレーザ素子が開示されている。２次の回折格子は、基板主面に対し垂直方向にレーザ光を取り出すために形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−１６２７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されるレーザ素子は、リッジ幅が４μｍ、光出射領域の長さが１０μｍ以下となっているため、２次の回折格子が小さい。このように小さな２次の回折格子を有するレーザ素子は、光密度を低減できず高出力用途に不向きであった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高出力用途に好適なレーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るレーザ素子は、基板と、該基板の上に形成された下部クラッド層と、該下部クラッド層の上に形成された活性層と、該活性層の上に形成された上部クラッド層と、該活性層の上方の層に１００μｍ×１００μｍ以上の大きさで形成された、該活性層で発生した光を該上部クラッド層の上方に回折する２次の回折格子と、該下部クラッド層、該活性層、及び該上部クラッド層を有する共振器の第１端面に形成された、該活性層で発生した光を反射する第１反射膜と、該共振器の該第１端面と反対側の端面である第２端面に形成された、該活性層で発生した光を反射する第２反射膜と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、２次の回折格子を大きく形成して光密度を低減できるので、高出力用途に好適なレーザ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ素子の平面図である。
【図２】図１の２−２破線における断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るレーザ素子の発光方向を示す断面図である。
【図４】２次の回折格子が回折する光の波長を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るレーザ素子の変形例を示す平面図である。
【図６】２次の回折格子と第２回折格子の回折する光の波長を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係るレーザ素子の断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係るレーザ素子の断面図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係るレーザ素子の断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係るレーザ素子の断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５に係るレーザ素子の変形例を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態６に係るレーザ素子の断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態７に係るレーザ素子の断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態７に係る下方向レーザ光の反射を示す断面図である。
【図１５】下部クラッド層に光反射層が形成されたことを示す断面図である。
【図１６】反射層において光反射が起こることを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ素子の平面図である。本発明の実施の形態１に係るレーザ素子１０は、多重横モードのレーザ光を発振するためにリッジストライプ１２が形成されている。リッジストライプ１２の中間部分には２次の回折格子１４が形成されている。２次の回折格子１４は、共振器長手方向（図１のＬ）に１００μｍ、共振器短手方向（図１のＷ）に１００μｍの大きさで形成されている。つまり、発光領域を規定する２次の回折格子１４は、１００μｍ×１００μｍと大きく形成されている。２次の回折格子１４以外の部分は電極１６で覆われている。レーザ素子１０の端面コーティングとしては、第１反射膜２０と第２反射膜２２が形成されている。
【００１０】
図２は、図１の２−２破線における断面図である。レーザ素子１０は基板３０を備えている。基板３０の上には下部クラッド層３２が形成されている。下部クラッド層３２の上には活性層３４が形成されている。活性層３４の上には上部クラッド層３６が形成されている。下部クラッド層３２、活性層３４、及び上部クラッド層３６は共振器を形成している。共振器は、ＡｌＧａＡｓ系材料（ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ）、ＡｌＧａＩｎＰ系材料（ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ）、又はＧａＮ系材料（ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等）で形成されている。上部クラッド層３６には、活性層３４で発生した光を、上部クラッド層３６の上方に回折する周期で２次の回折格子１４が形成されている。
【００１１】
図２に示すとおり、共振器端には劈開などで形成された第１端面１９、及び第１端面１９と反対側の端面である第２端面２１が形成されている。第１端面１９には、活性層３４で発生した光を反射する第１反射膜２０が形成されている。第２端面２１には、活性層３４で発生した光を反射する第２反射膜２２が形成されている。第１反射膜２０と第２反射膜２２は、活性層３４で発生した光を１００％反射するものである。
【００１２】
上部クラッド層３６の上にはコンタクト層３８が形成されている。コンタクト層３８の上には電極１６が形成されている。また、基板３０の裏面には電極４０が形成されている。
【００１３】
図３は、本発明の実施の形態１に係るレーザ素子１０の発光方向を示す断面図である。レーザ素子１０の２次の回折格子１４により、レーザ光は共振器の結晶面に対して垂直方向に出射する。レーザ光の出射方向は図３において矢印で示されている。
【００１４】
ところで、一般に、レーザ素子は、閾値電流を低減し電流効率を向上させるためにリッジストライプの幅を細くする。ところがリッジストライプ幅を細くすると、共振器内の光密度上昇によるＣＯＤが懸念され、レーザ素子を高出力化できない。特に、端面から発光させる場合は０．１μｍ程度の厚みの活性層に光が閉じ込められるので光密度が高くなっていた。
【００１５】
ところが、本発明の実施の形態１に係るレーザ素子によれば、２次の回折格子１４が１００μｍ×１００μｍとなるように形成されているため、大きな発光領域で発光する。そのため、例えば端面発光型のレーザ素子に比べて、光密度を１／１００程度まで低減できる。光密度を低減すると、ＣＯＤ劣化を抑制できるのでレーザ素子を高出力化することができる。
【００１６】
図４は、２次の回折格子１４が回折する光の波長を示す図である。図４のＡに示すように、活性層３４で発生する光の波長は、中心波長（λ１）を中心に一定の幅（広がり）を有している。２次の回折格子１４は、利得を高めるためにλ１の光を回折する周期で形成する。しかしながら、中心波長（λ１）以外の波長の光を回折する周期で２次の回折格子１４を形成してもよい。例えば、２次の回折格子１４を、中心波長（λ１）より短波長の光（λ２）又は中心波長（λ１）より長波長の光（λ３）を回折する周期で形成してもよい。λ３の光は、λ１の光よりもバンドギャップエネルギの小さい光である。そのため、２次の回折格子１４を、中心波長（λ１）よりも波長の長い光（例えば純青色の光λ３）を回折する周期で形成すれば、活性層３４における光損失を低減できる。つまり、レーザ素子の損失を低減できる。
【００１７】
本発明の実施の形態１に係るレーザ素子１０によれば、第１反射膜２０と第２反射膜２２により共振器端面からの光の出射を防止できる。よって共振器端面から光が漏れることを防止できる。
【００１８】
図５は、本発明の実施の形態１に係るレーザ素子の変形例を示す平面図である。レーザ素子１０との相違点を中心に説明する。レーザ素子２９には、活性層で発生した光を上部クラッド層の上方に回折するように、２次の回折格子１４と５２が形成されている。２次の回折格子５２は、活性層の上方の層に、２次の回折格子１４とは異なる周期で形成されている。２次の回折格子５２を第２回折格子５２と称する。第２回折格子５２は１００μｍ×１００μｍの大きさを有するように形成されている。
【００１９】
図６は、２次の回折格子１４と第２回折格子５２の回折する光の波長を示す図である。２次の回折格子１４の回折する光の波長はλ２である。第２回折格子５２の回折する光の波長はλ３である。このように、リッジストライプ１２上の２箇所に周期の異なる２つの回折格子を形成すると、２波長の発光が可能となる。
【００２０】
本発明の実施の形態１に係るレーザ素子１０では、２次の回折格子１４は１００μｍ×１００μｍの大きさとしたが、１００μｍ×１００μｍ以上の大きさで形成されれば光密度を十分に低減できるので特にこれに限定されない。
【００２１】
本発明の実施の形態１に係るレーザ素子１０では、共振器をＧａＮ系材料で形成したが本発明は特にこれに限定されない。また、回折格子１４は共振器長全体に渡って形成されてもよい。レーザ素子の損失を低減するために、第１反射膜２０と第２反射膜２２は活性層３４で発生した光を１００％反射するものであるが望ましい。しかしながら、共振器端面での光の損失を低減できる限りにおいてこれに限定されない。また、２次の回折格子１４や第２回折格子５２を形成するのは活性層３４の上方の層であればよく、特に上部クラッド層３６に限定されない。
【００２２】
また、２次の回折格子１４の共振器長手方向の長さと共振器短手方向の長さを等しくすると、ＦＦＰを均一にすることができる。しかしながら、ＦＦＰを重視しないのであれば、回折格子１４の共振器長手方向の長さと共振器短手方向の長さを一致させなくても良い。
【００２３】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係るレーザ素子の断面図である。前述のレーザ素子１０との相違点のみ説明する。上部クラッド層３７は、レーザ素子１０の上部クラッド層３６と比べて厚く形成されている。具体的には、厚く形成された上部クラッド層３７は一部がエッチングされ、当該エッチングにより露出した底部分に２次の回折格子１４が形成されている。そして、共振器は、例えばＡｌＧａＩｎＰ系やＡｌＧａＡｓ系などのＧａＡｓ系の材料で形成されている。またコンタクト層３８はＧａＡｓで形成されている。本発明の実施の形態２に係るレーザ素子によれば、上部クラッド層３７を厚く形成することで、コンタクト層３８における光吸収を低減できる。
【００２４】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係るレーザ素子の断面図である。前述のレーザ素子１０との相違点のみ説明する。本発明の実施の形態３に係るレーザ素子は、レーザ素子１０の上部クラッド層３６と比べて厚く形成された上部クラッド層３７を備えている。また、２次の回折格子１４を形成するためのエッチングストッパ層３９も備えている。上部クラッド層３７は、エッチングストッパ層３９を挟むように形成されている。コンタクト層３８まで形成した後に、２次の回折格子１４を形成すべき部分をエッチングストッパ層３９までエッチングし、そこに２次の回折格子１４を形成する。よって、容易に２次の回折格子１４を形成できる。また、上部クラッド層３７を厚くできるので実施の形態２と同様にコンタクト層３８における光吸収を低減しうる。
【００２５】
実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４に係るレーザ素子の断面図である。前述のレーザ素子１０との相違点のみ説明する。本発明の実施の形態４に係るレーザ素子は、２次の回折格子１４がコンタクト層３８で覆われている。コンタクト層３８はＧａＮで形成されている。また、共振器はＧａＮ系の材料で形成されている。コンタクト層３８をＧａＮで形成することによりコンタクト層３８による光吸収をなくして、２次の回折格子１４をコンタクト層３８で埋め込むことができる。このようなレーザ素子は、上部クラッド層３６、及び２次の回折格子１４を形成した後にコンタクト層３８を形成して作成する。なお、コンタクト層３８の材料は、ＧａＮに限らずレーザ素子の発振光よりバンドギャップが大きい結晶であればよい。
【００２６】
実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５に係るレーザ素子の断面図である。前述のレーザ素子１０との相違点のみ説明する。本発明の実施の形態５に係るレーザ素子は、上部クラッド層４１の上に、回折格子層４３が形成されている。回折格子層４３はＩｎＧａＮで形成されている。回折格子層４３には、２次の回折格子１４が形成されている。このように、上部クラッド層４１以外の層に２次の回折格子１４を形成しても本発明の効果を得ることができる。
【００２７】
図１１は、本発明の実施の形態５に係るレーザ素子の変形例を示す断面図である。このレーザ素子は、回折格子層４３に形成された２次の回折格子１４をコンタクト層３８で埋め込むものである。コンタクト層３８はＧａＮで形成されている。２次の回折格子１４とコンタクト層３８を異なる材料で形成することにより、２次の回折格子１４をコンタクト層３８で埋め込むことができる。
【００２８】
実施の形態６．
図１２は、本発明の実施の形態６に係るレーザ素子の断面図である。以後、前述のレーザ素子１０との相違点のみ説明する。本発明の実施の形態６に係るレーザ素子の第２端面２１には、活性層３４で発生した光を反射しつつ、外部からの光は透過するハーフミラーコート４２が形成されている。
【００２９】
本発明の実施の形態６に係るレーザ素子の使用には、外部レーザ素子４４が用いられる。外部レーザ素子４４の活性層４６で生じた光は、ハーフミラーコート４２を介してレーザ素子に入射し活性層３４に光を励起する。そして活性層３４で励起された光は、２次の回折格子１４により上部クラッド層３６の上方に回折させられる。外部レーザ素子４４を用いると効率的に光を励起することができる。なお、複数のレーザ素子を集積してレーザ素子を高出力で発光させてもよい。
【００３０】
本発明の実施の形態６に係るレーザ素子は少なくとも本発明の実施の形態１に係るレーザ素子と同程度の変形が可能である。同様に、本発明の実施の形態６に係るレーザ素子に、本発明の実施の形態２乃至５のいずれかに記載の特徴を取り入れてもよい。
【００３１】
実施の形態７．
図１３は、本発明の実施の形態７に係るレーザ素子の断面図である。以後、前述のレーザ素子１０との相違点のみ説明する。基板６０の裏面に光反射層６２が形成されている。光反射層６２は金メッキで形成されている。基板６０は、活性層３４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する材料で形成されている。
【００３２】
ところで、回折格子１４は共振器上面方向だけでなく、共振器下面方向にも光を回折する。共振器上面方向の光を上方向レーザ光と称し、共振器下面方向の光を下方向レーザ光と称する。下方向レーザ光は、例えば基板に吸収されるなどして損失となる。ところが、本発明の実施の形態７に係るレーザ素子によればこの損失を抑制できる。図１４は、本発明の実施の形態７に係る下方向レーザ光の反射を示す断面図である。図１４で下方向レーザ光は破線で示されている。本発明実施の形態７に係るレーザ素子によれば、下方向レーザ光は光反射層６２で反射されるため下方向レーザ光を上方向レーザ光に寄与させることができる。よって高出力化に好適なレーザ素子を製造できる。また、基板６０のバンドギャップは活性層３４のバンドギャップより大きいので、下方向レーザ光が基板６０に光吸収されることを抑制できる。
【００３３】
光反射層６２は、金メッキに限らず、反射膜や反射コーティングなどで形成されてもよい。また、上述の効果は、下方向レーザ光を上方向レーザ光に変換することにより得られる。よって、例えば、下部クラッド層に光反射層を形成してもよい。図１５は、下部クラッド層に光反射層７０が形成されたことを示す断面図である。光反射層７０は、屈折率の異なる結晶を交互に形成した多層膜である。図１６は、反射層において光反射が起こることを示す断面図である。
【００３４】
本発明の実施の形態７に係るレーザ素子は少なくとも本発明の実施の形態１に係るレーザ素子と同程度の変形が可能である。また、本発明の実施の形態７に係るレーザ素子に、本発明の実施の形態２乃至５のいずれかに記載の特徴を取り入れてもよい。
【００３５】
上記の説明において、発明を分かりやすく説明するため、活性層構造等の細かいエピ構造を記述しなかったが、活性層の構造は、量子井戸構造のSQW(シングルカンタムウエル)、MQW（マルチカンタムウエル）構造でも良い。また、クラッド層とコンタクト層の間のバンドギャップ緩和のためのバンド不連続緩和層を有する構造でも良い。
【符号の説明】
【００３６】
１０  レーザ素子、  １２  リッジストライプ、  １４  ２次の回折格子、  １６  電極、  ２０  第１反射膜、  ２２  第２反射膜、  ３０  基板、  ３２  下部クラッド層、  ３４  活性層、  ３６  上部クラッド層、  ３８  コンタクト層、  ４０  電極、  ４２  ハーフミラーコート、  ５２  第２回折格子  ６０  基板、  ６２，７０  光反射層
【図１】
2013030642.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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